JP2016096221A - 駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力信号の０レベルでの緩和振動による光出力信号の劣化を低減すること。
【解決手段】駆動回路３は、入力信号に応じて発光素子ＬＤを駆動するためのシャント駆動電流Ｉｓｈを出力する駆動回路であって、入力信号に応じて発光素子ＬＤのオン・オフを制御するための主信号Ｉｃ１を生成する主信号生成回路４と、シャント駆動電流Ｉｓｈの立ち上がりにおいて、主信号Ｉｃ１が立ち上がり始める時間よりも遅れて立ち上がりを開始し、主信号Ｉｃ１の振幅よりも小さい振幅を有する補助信号Ｉｃ２を生成する補助信号生成回路５と、を備え、主信号Ｉｃ１と補助信号Ｉｃ２とを合成することによってシャント駆動電流Ｉｓｈを出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動回路に関する。

直接変調方式の駆動回路が知られている。例えば、特許文献１には、プッシュプル方式に基づいて発光素子に変調電流を供給する駆動回路が記載されている。

特開２０１２−１０９９４０号公報

光送信器（光送信装置）において、直接変調方式の駆動回路で端面発光型のレーザダイオードを駆動した場合、光出力信号の１レベル（Ｈｉｇｈレベル）と０レベル（Ｌｏｗレベル）とに緩和振動が加わり、光出力信号の波形にてオーバーシュート及びアンダーシュートが発生することがある。この緩和振動の周波数は、０レベル及び１レベルに応じた駆動電流の緩和振動周波数に対応する。このため、０レベルでは、１レベルと比較して駆動電流が少ないので、緩和振動周波数は低くなる。

光出力信号の伝送レートに対して緩和振動周波数が低いと、緩和振動が収まる前に光出力信号のレベルの状態遷移が起こる場合と、緩和振動が収まった後に光出力信号のレベルの状態遷移が起こる場合と、が発生する。これにより、光出力信号の立ち上がりまたは立ち下がりの開始位置が所定の好ましい位置からずれるおそれがある。光出力信号の０レベルの緩和振動周波数は、光出力信号の１レベルの緩和振動周波数よりも低いので、１レベルにおける光出力信号の立ち下がりの開始位置よりも、０レベルにおける光出力信号の立ち上がり開始位置のほうが、ずれを生じる可能性が高い。

本発明の一態様は、光出力信号の０レベルでの緩和振動による光出力信号の劣化を低減可能な駆動回路を提供する。

本発明の一態様に係る駆動回路は、入力信号に応じて発光素子を駆動するためのシャント駆動電流を出力する駆動回路である。この駆動回路は、入力信号に応じて発光素子のオン・オフを制御するための主信号を生成する主信号生成回路と、シャント駆動電流の立ち上がりにおいて、主信号が立ち上がり始める時間よりも遅れて立ち上がりを開始し、主信号の振幅よりも小さい振幅を有する補助信号を生成する補助信号生成回路と、を備え、主信号と補助信号とを合成することによってシャント駆動電流を出力する。

本発明の一態様によれば、光出力信号の０レベルでの緩和振動による光出力信号の劣化を低減できる。

一実施形態に係る駆動回路を含む光送信装置の概略構成を示す図である。 （ａ）は０レベルの駆動電流における発光素子の電気−光応答の一例を示す図、（ｂ）は１レベルの駆動電流における発光素子の電気−光応答の一例を示す図である。 図１のローパスフィルタの一例を示す構成図である。 （ａ）は図１のバイアス回路の一例を示す構成図、（ｂ）は図１のバイアス回路の別の例を示す構成図である。 （ａ）は主信号の波形の一例を示す図、（ｂ）はローパスフィルタ通過後の入力信号の波形の一例を示す図、（ｃ）は補助信号の波形の一例を示す図、（ｄ）はシャント駆動電流Ｉｓｈの波形の一例を示す図、（ｅ）は駆動電流ＩＬＤの波形の一例を示す図である。 図１の駆動回路を含むドライバＩＣの一例を示す構成図である。 比較例に係る駆動回路を含む光送信装置の概略構成を示す図である。 図７の光送信装置における光出力信号の波形の一例を示す図である。 図１の駆動回路によって生成されたシャント駆動電流と図７の駆動回路によって生成されたシャント駆動電流とを示す図である。 （ａ）は図７の光送信装置の光出力信号の波形を示す図、（ｂ）は図１の光送信装置の光出力波形を示す図である。 発光素子の等価回路を示す図である。 図１の駆動回路の変形例を含む光送信装置の概略構成を示す図である。 図１の駆動回路の別の変形例を含む光送信装置の概略構成を示す図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

本発明の一態様に係る駆動回路は、入力信号に応じて発光素子を駆動するためのシャント駆動電流を出力する駆動回路である。この駆動回路は、入力信号に応じて発光素子のオン・オフを制御するための主信号を生成する主信号生成回路と、シャント駆動電流の立ち上がりにおいて、主信号が立ち上がり始める時間よりも遅れて立ち上がりを開始し、主信号の振幅よりも小さい振幅を有する補助信号を生成する補助信号生成回路と、を備え、主信号と補助信号とを合成することによってシャント駆動電流を出力する。

発光素子では、活性層内において光子によるキャリアの消費が遅れるので、キャリアの減少中（つまり、光出力信号の立ち下がり時）にキャリアの減少が停止しても、キャリアが過剰に消費されることによって、アンダーシュートが生じる。そして、キャリア密度が過剰に減少したことにより、光子によるキャリアの消費も過剰に減少するので、注入したキャリアが安定点（０レベル）よりも余ることになり、振り戻しが生じる。このようにして緩和振動が生じる。この駆動回路では、駆動電流のオン・オフを制御するための主信号に、シャント駆動電流の立ち上がりにおいて、主信号が立ち上がり始める時間よりも遅れて立ち上がりを開始し、主信号の振幅よりも小さい振幅を有する補助信号が加えられることによって、発光素子を駆動するためのシャント駆動電流が生成される。このシャント駆動電流によって、発光素子の駆動電流の立ち下がりを、立ち下がりがある程度進んだ途中から駆動電流の波形を鈍らせるようにすることができる。このため、光出力信号の立ち下がり時にキャリアの消費速度を遅くすることができ、キャリアが過剰に減少することを抑制できる。これにより、光出力信号の０レベルでの緩和振動を低減でき、光出力信号のアンダーシュート、０レベルリンギング、パターンジッタ等の緩和振動による光出力信号の劣化を低減することが可能となる。

補助信号の立ち上がり時間は、主信号の立ち上がり時間よりも大きくてもよい。この場合、シャント駆動電流の立ち上がりは、主信号による立ち上がりと、補助信号による立ち上がりと、の和になるので、シャント駆動電流の立ち上がりの途中において、補助信号によって立ち上がりが緩やかになる。つまり、シャント駆動電流の立ち上がりの途中において、微小時間での電流値の増加量（電流波形の微分係数）が小さくなる。シャント駆動方式では、所定のほぼ一定値のバイアス電流からシャント駆動電流を引き抜くことにより、駆動電流が変調されるので、駆動電流の波形は、シャント駆動電流の波形を反転した形状となる。このようにシャント駆動電流の立ち上がり時間を遅くすることにより、駆動電流の立ち下がりを立ち下がりがある程度進んだ途中から駆動電流の波形を鈍らせるようにすることができる。これにより、光出力信号の０レベルでの緩和振動を低減でき、光出力信号のアンダーシュート、０レベルリンギング、パターンジッタ等の緩和振動による光出力信号の劣化を低減することが可能となる。また、シャント駆動電流の立ち上がりの途中において、波形が鈍る（シャント駆動電流の微分係数が小さくなる）ので、駆動電流では立ち下がりの途中において、波形が鈍る（シャント駆動電流の微分係数が小さくなる）。駆動電流の立ち下がり全体を鈍らせると光出力信号のアイパターンの開口が小さくなるので、駆動電流の立ち下がり全体を遅くする場合と比較して、光出力信号のアイパターンの開口が小さくなることを抑制できる。

主信号生成回路は、入力信号が入力される制御端子及び主信号を出力する電流端子を有する第１トランジスタを備えてもよい。補助信号生成回路は、入力信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、ローパスフィルタを通過した入力信号が入力される制御端子及び補助信号を出力する電流端子を有する第２トランジスタと、を備えてもよい。この場合、第１トランジスタには入力信号がそのまま入力されるので、第１トランジスタは入力信号に応じた主信号を出力する。第２トランジスタには入力信号がローパスフィルタを介して入力されるので、第２トランジスタはローパスフィルタを通過した入力信号に応じた補助信号を出力する。ローパスフィルタを通過することによって、入力信号の立ち上がり時間は遅くなるので、補助信号の立ち上がり時間は、主信号の立ち上がり時間よりも遅くなる。このような構成によって、立ち上がりの途中において、微小時間での電流値の増加量（電流波形の微分係数）が小さくなるシャント駆動電流が得られる。

補助信号生成回路は、第２トランジスタの制御端子のバイアス電圧を設定するバイアス回路をさらに備えてもよい。この場合、第２トランジスタの制御端子のバイアス電圧を適宜設定することによって、ローパスフィルタを通過した入力信号から、シャント駆動電流の波形において、立ち上がり部の傾斜が緩やかに変化するような波形を補助信号として取り出すことができる。

バイアス回路は、電流源であってもよい。この場合、補助信号生成回路の入力インピーダンスがバイアス電圧によって影響を受け難いので、補助信号の波形への影響を低減することができる。

発光素子は、所定のバイアス電流からシャント駆動電流が差し引かれた残りの駆動電流によって駆動されてもよい。この場合、シャント駆動電流によって、発光素子の駆動電流の立ち下がりを、立ち下がりがある程度進んだ途中から駆動電流の波形を鈍らせるようにすることができる。このため、光出力信号の立ち下がり時にキャリアの消費速度を遅くすることができ、キャリアが過剰に減少することを抑制できる。これにより、光出力信号の０レベルでの緩和振動を低減でき、光出力信号のアンダーシュート、０レベルリンギング、パターンジッタ等の緩和振動による光出力信号の劣化を低減することが可能となる。
［本願発明の実施形態の詳細］

本発明の実施形態に係る駆動回路の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、一実施形態に係る駆動回路を含む光送信装置の概略構成を示す図である。図１に示されるように、光送信装置１は、発光素子ＬＤ及び駆動回路３を主に備える。発光素子ＬＤは、例えば、直接変調用の半導体レーザ素子であり、具体的には、端面発光型レーザダイオードである。このようなレーザダイオードとしては、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed FeedBack Laser Diode）、ファブリペローレーザダイオード（ＦＰ−ＬＤ：Fabry-Perot Laser Diode）等がある。

図２の（ａ）は０レベルの駆動電流ＩＬＤにおける発光素子ＬＤの電気−光応答の一例を示す図、図２の（ｂ）は１レベルの駆動電流ＩＬＤにおける発光素子ＬＤの電気−光応答の一例を示す図である。図２の（ａ）に示されるように、０レベルの駆動電流ＩＬＤにおける緩和振動周波数ｆｒ０は、１２ＧＨｚ程度であり、図２の（ｂ）に示されるように、１レベルの駆動電流ＩＬＤにおける緩和振動周波数ｆｒ１は、２０ＧＨｚ程度である。この緩和振動周波数は、発光素子ＬＤの動作特性を記述する基本式であるレート方程式から導き出され、電流入力に対する光出力の変調感度の共振周波数である。この共振周波数に応じて、光出力波形に振動（オーバーシュート及びアンダーシュート）が生じる。

図１に戻って、発光素子ＬＤのカソード（陰極）はグラウンド電位（接地電位）に接続されており、発光素子ＬＤのアノード（陽極）は、バイアス電流源ＩＢを介して電圧ＶＣＣ１に接続されている。これにより、発光素子ＬＤには、不図示のＡＰＣ（Automatic Power Control）回路によって光出力信号の強度（パワー）が所定の値となるように電流量が制御される直流のバイアス電流Ｉｂｉａｓが供給される。さらに、発光素子ＬＤのアノードには、ボンディングワイヤＢ１を介して駆動回路３が接続されている。このような構成により、バイアス電流源ＩＢ及び駆動回路３により規定される駆動電流ＩＬＤが、駆動電流ＩＬＤの入力端子であるアノードから発光素子ＬＤに供給され、駆動電流ＩＬＤの変化に応じて発光素子ＬＤが光出力信号を出力する。

駆動回路３は、直接変調方式の駆動回路であり、シャント駆動方式に基づいて発光素子ＬＤに駆動電流ＩＬＤを供給する回路である。駆動回路３は、例えば、２５Ｇｂ／ｓ以上の高速直接変調方式の駆動回路である。駆動回路３は、オン・オフ変調（ｏｎ−ｏｆｆ ｋｅｙｉｎｇ）により発光素子ＬＤを直接変調する。駆動回路３は、入力信号に応じてシャント駆動電流Ｉｓｈ（出力信号）を生成する。シャント駆動電流Ｉｓｈは、駆動電流ＩＬＤを変調するための信号であって、ボンディングワイヤＢ１を介して、バイアス電流Ｉｂｉａｓから分流して、駆動回路３に流れ込む。これにより、駆動電流ＩＬＤは、バイアス電流Ｉｂｉａｓとシャント駆動電流Ｉｓｈとを合成した電流となる。つまり、駆動電流ＩＬＤは、バイアス電流Ｉｂｉａｓからシャント駆動電流Ｉｓｈを差し引いた電流となるので、シャント駆動電流Ｉｓｈの波形を反転した波形となる。

駆動回路３の構成について、さらに詳細に説明する。駆動回路３は、主信号生成回路４と、補助信号生成回路５と、抑制回路６と、を備える。

主信号生成回路４は、入力信号に応じて発光素子ＬＤのオン・オフを制御するための主信号Ｉｃ１を生成する回路である。主信号生成回路４は、トランジスタ４１（第１トランジスタ）と、抵抗素子４２と、を備える。トランジスタ４１は、入力信号が制御端子に入力されて、主信号Ｉｃ１を電流端子から出力する。トランジスタ４１は、例えば、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。トランジスタ４１のベース端子（制御端子）は駆動回路３の入力端子に接続され、トランジスタ４１のエミッタ端子（電流端子）は抵抗素子４２を介してグラウンド電位に接続され、トランジスタ４１のコレクタ端子（電流端子）は駆動回路３の出力端子に接続されている。このような構成の主信号生成回路４では、トランジスタ４１のベース端子に入力信号が入力されると、入力信号の電圧レベルに応じてトランジスタ４１がオン・オフし、トランジスタ４１のコレクタ端子にコレクタ電流である主信号Ｉｃ１を引き込む（出力する）。

補助信号生成回路５は、駆動電流ＩＬＤの立ち下がりを立ち下がりがある程度進んだ途中から駆動電流ＩＬＤの波形を鈍らせるための補助信号Ｉｃ２を生成する回路である。補助信号Ｉｃ２は、主信号Ｉｃ１と同一極性の信号であって、主信号Ｉｃ１の振幅よりも小さい振幅を有する。補助信号Ｉｃ２のＤＣ値（電流値）は主信号Ｉｃ１のＤＣ値（電流値）よりも小さい。補助信号Ｉｃ２は、非対称なパルスを有する波形であって、補助信号Ｉｃ２の立ち上がり時間は、主信号Ｉｃ１の立ち上がり時間よりも大きい（遅い）。また、駆動電流ＩＬＤのある一つの立ち下がりにおいて、補助信号Ｉｃ２が立ち上がりを開始する時間は主信号Ｉｃ１が立り上がりを開始する時間よりも遅い。

なお、信号または電流の立ち上がり時間とは、横軸に時間、縦軸に時間的に変化する物理量の瞬時値をとって描いたグラフである波形において、０レベルから１レベルに遷移するのに要する時間である。信号または電流の立ち下がり時間とは、横軸に時間、縦軸に時間的に変化する物理量の瞬時値をとって描いたグラフである波形において、１レベルから０レベルに遷移するのに要する時間である。「立ち上がり（時間）が遅い」とは、時間的に変化する物理量の微小時間での増加量（微分係数）が小さいことを意味し、「立ち下がり（時間）が遅い」とは、時間的に変化する物理量の微小時間での減少量（微分係数）が小さいことを意味する。ここで、立ち上がり時間は、０レベルを０％、１レベルを１００％とした時の２０％から８０％への遷移に要する時間であり、立ち下がり時間は、０レベルを０％、１レベルを１００％とした時の８０％から２０％への遷移に要する時間である。

補助信号生成回路５は、ローパスフィルタ５１と、バイアス回路５２と、トランジスタ５３（第２トランジスタ）と、抵抗素子５４と、を備える。ローパスフィルタ５１は、入力信号が入力され、入力信号から高周波成分を除去して入力信号の立ち上がりを鈍らせるための回路である。ローパスフィルタ５１の入力端子は、駆動回路３の入力端子に接続され、ローパスフィルタ５１の出力端子は、トランジスタ５３のベース端子に接続されている。

図３は、ローパスフィルタ５１の一例を示す構成図である。図３に示されるように、ローパスフィルタ５１は、抵抗素子５１１と、コンデンサ５１２と、を備える。抵抗素子５１１の一端はローパスフィルタ５１の入力端子を成し、抵抗素子５１１の他端はローパスフィルタ５１の出力端子を成している。コンデンサ５１２の一端は抵抗素子５１１の他端に接続され、コンデンサ５１２の他端はグラウンド電位に接続されている。抵抗素子５１１の抵抗値は、例えば３００Ω程度であり、コンデンサ５１２の容量値は、例えば２０ｆＦ程度である。なお、トランジスタ５３の入力寄生容量Ｃｐｉが支配的な役割を果たすので、コンデンサ５１２の容量値としては小さい値で十分である。抵抗素子５１１の抵抗値及びコンデンサ５１２び容量値は、緩和振動周波数、発光素子の他のパラメータ、及びそれらの伝送レートとの関係を考慮して駆動回路３、発光素子ＬＤ、及び寄生素子７等をモデル化して大信号応答を解析して決定してもよい。

トランジスタ５３は、ローパスフィルタ５１を通過した入力信号が制御端子に入力されて、補助信号Ｉｃ２を電流端子から出力する。トランジスタ５３は、例えば、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。トランジスタ５３のベース端子（制御端子）はローパスフィルタ５１の出力端子に接続され、トランジスタ５３のエミッタ端子（電流端子）は抵抗素子５４を介してグラウンド電位に接続され、トランジスタ５３のコレクタ端子（電流端子）は駆動回路３の出力端子に接続されている。抵抗素子５４は、補助信号Ｉｃ２の振幅を所望の大きさとするための抵抗値を有する。この補助信号Ｉｃ２の振幅は、トランジスタ５３のトランスコンダクタンスｇｍと抵抗素子５４の抵抗値によって調整される。なお、トランジスタ５３のトランスコンダクタンスｇｍはトランジスタ５３のサイズパラメータ（例えば、ゲート長及びゲート幅）によって変わる。

バイアス回路５２は、トランジスタ５３の制御端子のバイアス電圧を設定するための回路である。バイアス回路５２は、例えば、０．６Ｖ〜０．８Ｖ程度にトランジスタ５３のバイアス電圧を設定する。このトランジスタ５３のバイアス電圧（ベース電圧）を変更することにより、補助信号Ｉｃ２の波形形状が変更される。つまり、ローパスフィルタ５１を通過した入力信号の電圧値にバイアス回路５２によって設定されたバイアス電圧を加えた電圧値が、トランジスタ５３のベース−エミッタ間オン電圧Ｖｔｈ２以下の場合にはトランジスタ５３がオフになり、トランジスタ５３のベース−エミッタ間オン電圧Ｖｔｈ２よりも大きい場合にはトランジスタ５３がオンになるので、ローパスフィルタ５１を通過した入力信号の波形が時間軸に対して平行にカット（半波整流）される位置が、バイアス電圧に応じて変更される。このとき、補助信号Ｉｃ２として、立ち上がり時の１レベル付近において、波形の傾斜が徐々に緩やかになるように変化する波形が得られるように、バイアス電圧が設定される。バイアス電圧は、例えば、ローパスフィルタ５１を通過した入力信号の振幅の中心値以下において、トランジスタ５３がオフするような電圧値に設定される。

図４の（ａ）はバイアス回路５２の一例を示す構成図、図４の（ｂ）はバイアス回路５２の別の例を示す構成図である。図４の（ａ）に示されるように、バイアス回路５２は、電流源を用いて構成され得る。この場合、電流源の一端はトランジスタ５３のベース端子に接続され、電流源の他端はグラウンド電位に接続されている。また、トランジスタ５３のベース電圧Ｖｂ２が７００ｍＶ〜８００ｍＶ程度になるので、図４の（ｂ）に示されるように、バイアス回路５２は、ｎＭＯＳトランジスタ（n-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いて構成され得る。この場合、ｎＭＯＳトランジスタのドレイン端子はトランジスタ５３のベース端子に接続され、ｎＭＯＳトランジスタのソース端子はグラウンド電位に接続され、ｎＭＯＳトランジスタのゲート端子には、バイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。このとき、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを決定するための電流であるｎＭＯＳトランジスタのドレイン電流の電流値は数百ｕＡ程度であるので、ｎＭＯＳトランジスタのサイズを小型化することができ、寄生容量の影響が低減される。

このような構成の補助信号生成回路５では、ローパスフィルタ５１を介してトランジスタ５３のベース端子に入力信号が入力されると、入力信号の電圧レベルに応じてトランジスタ５３がオン・オフし、トランジスタ５３のコレクタ端子にコレクタ電流である補助信号Ｉｃ２を引き込む。補助信号生成回路５では、トランジスタ５３のベース端子にはバイアス回路５２が接続されているので、トランジスタ５３のバイアス電圧がトランジスタ４１のバイアス電圧よりも小さい電圧値に設定されている。そして、補助信号生成回路５は、主信号生成回路４によって生成された主信号Ｉｃ１と補助信号Ｉｃ２とを合成したシャント駆動電流Ｉｓｈを駆動回路３の出力端子に出力する。

抑制回路６は、駆動回路３の出力寄生容量７の容量値Ｃｏｕｔと、駆動回路３の出力端子と発光素子ＬＤとを接続するボンディングワイヤＢ１のインダクタンスＬｂｗと、による共振ピークを抑えるための回路である。抑制回路６は、抵抗素子６１と、コンデンサ６２と、を備える。抵抗素子６１及びコンデンサ６２は、駆動回路３の出力端子とグラウンド電位との間に直列に接続されている。

次に、駆動回路３の動作を説明する。図５の（ａ）は主信号Ｉｃ１の波形の一例を示す図、図５の（ｂ）はローパスフィルタ５１通過後の入力信号の波形の一例を示す図、図５の（ｃ）は補助信号Ｉｃ２の波形の一例を示す図、図５の（ｄ）はシャント駆動電流Ｉｓｈの波形の一例を示す図、図５の（ｅ）は駆動電流ＩＬＤの波形の一例を示す図である。

主信号生成回路４では、入力信号がトランジスタ４１のベース端子（制御端子）に入力されると、入力信号の電圧レベルに応じてトランジスタ４１がオン・オフし、トランジスタ４１のコレクタ端子に電流を引き込む。これにより、例えば、図５の（ａ）に示されるような電流信号である主信号Ｉｃ１が生成される。

また、補助信号生成回路５では、入力信号がローパスフィルタ５１を通過する。これにより、図５の（ｂ）に示されるように、ローパスフィルタ５１通過後の入力信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が、ローパスフィルタ５１通過前の入力信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間よりも大きくなる。具体的には、０レベルから１レベルへの立ち上がり波形において、立ち上がり開始時の傾きは大きく、１レベルに向かうにつれ次第に傾きが小さくなる。また、１レベルから０レベルへの立ち下がり波形において、立ち下がり開始時の傾きは大きく、０レベルに向かうにつれて次第に傾きが小さくなる。

そして、ローパスフィルタ５１を通過した後の入力信号は、トランジスタ５３のベース端子に入力される。トランジスタ５３では、バイアス回路５２によってバイアス電圧Ｖｂｉａｓだけトランジスタ５３のベース電圧Ｖｂ２を下げ、入力信号が入力信号の振幅の中心値以下の場合にはトランジスタ５３がオフとなるようにし、入力信号が入力信号の振幅の中心値よりも大きい場合にはトランジスタ５３がオンとなってトランジスタ５３のコレクタ端子に電流を引き込む。これにより、図５の（ｃ）に示されるような電流信号である補助信号Ｉｃ２が生成される。この補助信号Ｉｃ２は、主信号Ｉｃ１と同一の極性であって、ローパスフィルタ５１を通過した後の入力信号を半波整流したような波形を有している。補助信号Ｉｃ２の立ち下がり開始時間は主信号Ｉｃ１の立ち下がり開始時間よりも遅くなるが、概ね補助信号Ｉｃ２の立ち上がり開始時間だけが主信号Ｉｃ１の立ち上がり開始時間よりも遅くなるといえる。

そして、補助信号生成回路５によって、主信号生成回路４によって生成された主信号Ｉｃ１と補助信号生成回路５によって生成された補助信号Ｉｃ２とが合成されて、図５の（ｄ）に示されるようなシャント駆動電流Ｉｓｈが生成される。このシャント駆動電流Ｉｓｈにおいて、補助信号Ｉｃ２が立ち上がりを開始する時間は主信号Ｉｃ１が立り上がりを開始する時間よりも遅い。シャント駆動電流Ｉｓｈは、バイアス電流Ｉｂｉａｓから分流して駆動回路３の出力端子に流れ込むので、図５の（ｅ）に示されるように、駆動電流ＩＬＤは、バイアス電流Ｉｂｉａｓからシャント駆動電流Ｉｓｈを差し引いた残りの電流となる。

以上のように、駆動回路３では、トランジスタ４１及びトランジスタ５３が並列に配置されている。トランジスタ４１のベース端子には、入力信号がそのまま印加されるのに対し、トランジスタ５３のベース端子には、入力信号がローパスフィルタ５１を介して入力される。また、トランジスタ５３のベース端子には、バイアス回路５２が接続されているので、トランジスタ４１のバイアス電圧とは異なる電圧にバイアスされている。トランジスタ４１は、入力信号に応じて主信号Ｉｃ１をバイアス電流Ｉｂｉａｓから引き抜き、トランジスタ５３は、入力信号に応じて補助信号Ｉｃ２をバイアス電流Ｉｂｉａｓから引き抜く。つまり、駆動回路３は、主信号Ｉｃ１及び補助信号Ｉｃ２が合成されたシャント駆動電流Ｉｓｈをバイアス電流Ｉｂｉａｓから引き抜くことにより、駆動電流ＩＬＤを変調する。

このような駆動回路３は、実際にはシャント駆動方式のドライバＩＣとして提供される。図６は、駆動回路３を含むドライバＩＣの一例を示す構成図である。図６に示されるように、ドライバＩＣ１０は、外部からの一対の正相信号Ｖｉｎｐ及び逆相信号Ｖｉｎｎを有する差動信号の入力に応じて、発光素子ＬＤの駆動電流ＩＬＤを増減する集積回路である。ドライバＩＣ１０は、入力端子ＩＮＰと、入力端子ＩＮＮと、出力端子ＯＵＴと、電源端子ＶＣＣと、グラウンド端子ＧＮＤと、を備える。入力端子ＩＮＰには正相信号Ｖｉｎｐが入力され、入力端子ＩＮＮには逆相信号Ｖｉｎｎが入力される。出力端子ＯＵＴはボンディングワイヤＢ１を介して発光素子ＬＤのアノードに接続され、電源端子ＶＣＣは電圧ＶＣＣ０に接続され、グラウンド端子ＧＮＤはグラウンド電位に接続される。

ドライバＩＣ１０は、駆動回路３と、抵抗素子１１と、抵抗素子１２と、基準電圧生成回路１３と、トランジスタ１４と、トランジスタ１５と、電流源１６と、電流源１７と、を備える。駆動回路３の出力端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。上述した駆動回路３におけるグラウンド電位への接続は、グラウンド端子ＧＮＤを介して行われる。

抵抗素子１１及び抵抗素子１２は、入力終端抵抗である。抵抗素子１１の一端は入力端子ＩＮＰに接続され、抵抗素子１２の一端は入力端子ＩＮＮに接続され、抵抗素子１１の他端及び抵抗素子１２の他端は基準電圧生成回路１３によってバイアス電圧Ｖｒｅｆにバイアスされている。抵抗素子１１の抵抗値Ｒ１及び抵抗素子１２の抵抗値Ｒ２は、例えば５０Ωである。

トランジスタ１４は、例えば、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。トランジスタ１４のベース端子は入力端子ＩＮＰに接続され、トランジスタ１４のエミッタ端子は電流源１６を介してグラウンド端子ＧＮＤに接続され、トランジスタ１４のコレクタ端子は電源端子ＶＣＣに接続されている。トランジスタ１５は、例えば、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。トランジスタ１５のベース端子は入力端子ＩＮＮに接続され、トランジスタ１５のエミッタ端子は電流源１７を介してグラウンド端子ＧＮＤに接続されるとともに駆動回路３の入力端子に接続され、トランジスタ１５のコレクタ端子は電源端子ＶＣＣに接続されている。

このように構成されたドライバＩＣ１０では、正相信号Ｖｉｎｐはトランジスタ１４及び電流源１６によって構成されるエミッタフォロワ回路によって受けられる。逆相信号Ｖｉｎｎはトランジスタ１５及び電流源１７によって構成されるエミッタフォロワ回路によって受けられ、エミッタフォロワ回路の出力が駆動回路３の入力信号として供給される。このとき、トランジスタ４１のベース電位Ｖｂ１は、抵抗素子１２の抵抗値Ｒ２、トランジスタ１５のベース電流Ｉｂｎ、トランジスタ１５のベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅｎを用いて、以下の式（１）で表される。
Vb1=Vref-R2×Ibn-Vben…(1)

次に、駆動回路３の効果を比較例と比較しつつ説明する。

図７は、比較例に係る駆動回路を含む光送信装置の概略構成を示す図である。図８は、図７の光送信装置における光出力信号の波形の一例を示す図である。

図７に示されるように、光送信装置１０１は、駆動回路３に代えて駆動回路１０３を備える点において光送信装置１と相違している。駆動回路１０３は、補助信号生成回路５を備えていない点で駆動回路３と相違している。

図８に示されるように、光送信装置１０１では、光出力信号の１レベルと０レベルとに緩和振動が加わり、オーバーシュート及びアンダーシュートが発生することがある。この緩和振動の周波数は、０レベル及び１レベルの駆動電流ＩＬＤに応じた発光素子ＬＤの緩和振動周波数に対応する。この緩和振動周波数が伝送レートよりも低いと、緩和振動が収まる前に０レベルと１レベルとの間の状態遷移が起こる場合と、緩和振動が収まった後に０レベルと１レベルとの間の状態遷移が起こる場合と、が発生することがある。

図２に示されるように、発光素子ＬＤの０レベル時の緩和振動周波数ｆｒ０は１２ＧＨｚ程度であり、発光素子ＬＤの１レベル時の緩和振動周波数ｆｒ１は２０ＧＨｚ程度である。この０レベル時の緩和振動周波数ｆｒ０は、１００ＧＥ（２５．７８Ｇｂ／ｓ）及びＯＴＵ（Optical-channel Transport Unit）４（２７．９５Ｇｂ／ｓ）に対して十分に大きいとはいえないので、緩和振動による波形の劣化を引き起こし得る。

図８の波形における立ち上がり部Ｕ１では、０レベルが２ビット連続した後に０レベルから１レベルへの状態遷移が生じている。この立ち上がり部Ｕ１では、緩和振動が収まる前に状態遷移が生じている。立ち上がり部Ｕ２では、０レベルが３ビット連続した後に０レベルから１レベルへの状態遷移が生じている。この立ち上がり部Ｕ２では、緩和振動が収まった後に状態遷移が生じている。このような場合、立ち上がり部Ｕ１における状態遷移の開始位置と立ち上がり部Ｕ２における状態遷移の開始位置とに差ｄが生じるので、パターンジッタの原因となる。

発光素子では、活性層内において光子によるキャリアの消費が遅れるので、キャリアの減少中（つまり、光出力信号の立ち下がり時）にキャリアの減少が停止しても、キャリアが過剰に消費されることによって、アンダーシュートが生じる。そして、キャリア密度が過剰に減少したことにより、光子によるキャリアの消費も過剰に減少するので、注入したキャリアが安定点（０レベル）よりも余ることになり、振り戻しが生じる。このようにして緩和振動が生じる。緩和振動を抑制するためには、駆動電流ＩＬＤの立ち下がり全体を遅くしなくとも、行き過ぎ量を考慮して駆動電流ＩＬＤが０レベルに達する少し手前で遅くすればよい。

このため、駆動回路３では、発光素子ＬＤのオン・オフを制御するための主信号Ｉｃ１に、駆動電流ＩＬＤの立ち下がりを立ち下がりがある程度進んだ途中から駆動電流ＩＬＤの波形を鈍らせるための補助信号Ｉｃ２が加えられることによって、駆動電流ＩＬＤを変調するためのシャント駆動電流Ｉｓｈが生成される。また、補助信号Ｉｃ２の立ち上がり時間は、主信号Ｉｃ１の立ち上がり時間よりも大きい。シャント駆動電流Ｉｓｈの立ち上がりは、主信号Ｉｃ１による立ち上がりと、補助信号Ｉｃ２による立ち上がりと、の合成になるので、シャント駆動電流Ｉｓｈの立ち上がりの途中において、立ち上がりが緩やかになる。つまり、シャント駆動電流Ｉｓｈの立ち上がりの途中において、微小時間での電流値の増加量（微分係数）が小さくなる。シャント駆動方式では、バイアス電流Ｉｂｉａｓからシャント駆動電流Ｉｓｈを引き抜くことにより、駆動電流ＩＬＤが変調されるので、駆動電流ＩＬＤの波形は、シャント駆動電流Ｉｓｈの波形を時間軸に対して反転した形状となる。このため、シャント駆動電流Ｉｓｈの立ち上がりを途中から遅くすることにより、駆動電流ＩＬＤの立ち下がりを、立ち下がりがある程度進んだ途中から駆動電流ＩＬＤの波形を鈍らせることができる。これにより、光出力信号の立ち下がり時に途中からキャリアの消費速度を遅くすることができ、キャリアが過剰に減少することを抑制できる。その結果、光出力信号の０レベルでの緩和振動を低減でき、光出力信号のアンダーシュート、０レベルリンギング、パターンジッタ等の緩和振動による光出力信号の劣化を低減することが可能となる。

また、シャント駆動電流Ｉｓｈの立ち上がりの途中において、微小時間での電流値の増加量（微分係数）が小さくなるので、駆動電流ＩＬＤでは立ち下がりの途中において、微小時間での電流値の減少量（微分係数）が小さくなる。駆動電流ＩＬＤの立ち下がり全体を遅くする（微小時間での電流値の減少量（微分係数）を小さくする）と光出力信号のアイパターンの開口が小さくなるので、駆動電流ＩＬＤの立ち下がり全体を遅くする場合と比較して、光出力信号のアイパターンの開口が小さくなることを抑制できる。

駆動回路３では、トランジスタ４１には入力信号がそのまま入力されるので、トランジスタ４１は入力信号に応じた主信号Ｉｃ１を出力する。トランジスタ５３には入力信号がローパスフィルタ５１を介して入力されるので、トランジスタ５３はローパスフィルタ５１を通過した入力信号に応じた補助信号Ｉｃ２を出力する。ローパスフィルタ５１を通過することによって、高周波成分が除去されて入力信号の立ち上がりは鈍くなるので、補助信号Ｉｃ２の立ち上がり時間は、主信号Ｉｃ１の立ち上がり時間よりも遅くなる。このような構成によって、立ち上がりの途中において、立ち上がりがある程度進んだ後に立ち上がりが鈍るシャント駆動電流Ｉｓｈが得られる。さらに、トランジスタ５３のバイアス電圧を適宜設定することによって、ローパスフィルタ５１を通過した入力信号から、シャント駆動電流Ｉｓｈの波形において、立ち上がり部の傾斜が緩やかに変化するような波形を補助信号Ｉｃ２として取り出すことができる。

補助信号Ｉｃ２の振幅は、主信号Ｉｃ１の振幅よりも小さいので、シャント駆動電流Ｉｓｈにおける補助信号Ｉｃ２の割合が主信号Ｉｃ１の割合よりも小さい。また、補助信号Ｉｃ２の立ち上がりの開始時間は、主信号Ｉｃ１の立ち上がりの開始時間よりも遅い。このため、駆動電流ＩＬＤの立ち下がり時間が遅くなり始めるタイミング、つまり、駆動電流ＩＬＤの微小時間での電流値の減少量が小さくなるタイミングを０レベルに達する時点に近づけることができる。これにより、光出力信号のアイパターンの開口が小さくなることを抑制できる。

バイアス回路５２として電流源が用いられた場合、補助信号生成回路５の入力インピーダンスがバイアス電圧によって影響を受け難いので、補助信号Ｉｃ２の波形への影響を低減することができる。

図９は、駆動回路３によって生成されたシャント駆動電流と駆動回路１０３によって生成されたシャント駆動電流とを示す図である。図１０の（ａ）は光送信装置１０１の光出力信号の波形を示す図、図１０の（ｂ）は光送信装置１の光出力信号の波形を示す図である。図９に示されるシャント駆動電流の波形及び図１０に示される光出力信号の波形は、シミュレーションにより得られたものである。このシミュレーションは、光送信装置１の駆動回路として図６のドライバＩＣ１０を用い、光送信装置１０１の駆動回路としてドライバＩＣ１０から補助信号生成回路５を除いたものを用い、発光素子ＬＤとして図１１に示される等価回路を用いて行われた。

図９において、波形Ｗ１は駆動回路３によって生成されたシャント駆動電流の波形、波形Ｗ２は駆動回路１０３によって生成されたシャント駆動電流の波形である。波形Ｗ１と波形Ｗ２とを比較すると、波形Ｗ２よりも波形Ｗ１の方が、立ち上がりにおける１レベル近傍での傾斜が徐々に緩やかに変化しており、１レベルへの遷移が徐々に行われていることがわかる。言い換えると、立ち上がりの１レベルに達する手前において、波形Ｗ２の立ち上がりよりも波形Ｗ１の立ち上がりが遅れている。

図１０の（ａ）、（ｂ）に示される光出力波形を比較すると、光送信装置１０１の光出力波形におけるクロスポイントの幅Ｊｘは５．３ｐｓであるのに対して、光送信装置１の光出力波形におけるクロスポイントの幅Ｊｘは４．７ｐｓであり、約１１％改善されていることが分かる。また、光送信装置１０１の光出力波形における０レベルの高さＨ０は１．９ｍＶであるのに対して、光送信装置１の光出力波形における０レベルの高さＨ０は１．４ｍＶであり、約２４％改善されていることが分かる。このように、駆動回路３を用いた場合では、アンダーシュート、０レベルでのリンギングが抑制され、立ち上がりでのパターンジッタが減少していることが確認できる。

なお、本発明に係る駆動回路は上記実施形態に限定されない。例えば、シャント駆動電流Ｉｓｈは、主信号Ｉｃ１と補助信号Ｉｃ２との合成によって出力されればよく、主信号生成回路４及び補助信号生成回路５としては、それぞれ上記実施形態と同等の変形例が使用されてもよい。

また、図５の（ｅ）に示されるような駆動電流ＩＬＤの波形を生成するための回路構成は、上記実施形態の回路構成に限られない。図５の（ａ）に示されるような波形を反転した波形を有する主信号と、図５の（ｃ）に示されるような波形を反転した波形を有する補助信号と、を加算する回路構成としてもよい。

また、補助信号生成回路５では、トランジスタ５３としてＮＰＮ型バイポーラトランジスタが用いられているが、これに限られない。図１２に示されるように、トランジスタ５３は、ｎＭＯＳトランジスタでもよい。この場合、トランジスタ５３のゲート端子（制御端子）はローパスフィルタ５１の出力端子に接続され、トランジスタ５３のソース端子（電流端子）は抵抗素子５４を介してグラウンド電位に接続され、トランジスタ５３のドレイン端子（電流端子）は駆動回路３の出力端子に接続される。

また、図１３に示されるように、トランジスタ５３としてｎＭＯＳトランジスタが用いられる場合、抵抗素子５４は省略されてもよく、トランジスタ５３のソース端子はグラウンド電位に直接接続されてもよい。

１…光送信装置、３…駆動回路、４…主信号生成回路、５…補助信号生成回路、６…抑制回路、４１…トランジスタ（第１トランジスタ）、５１…ローパスフィルタ、５２…バイアス回路、５３…トランジスタ（第２トランジスタ）、５４…抵抗素子、Ｉｂｉａｓ…バイアス電流、Ｉｃ１…主信号、Ｉｃ２…補助信号、ＩＬＤ…駆動電流、Ｉｓｈ…シャント駆動電流（出力信号）、ＬＤ…発光素子。

Claims (6)

1. 入力信号に応じて発光素子を駆動するためのシャント駆動電流を出力する駆動回路であって、
   前記入力信号に応じて発光素子のオン・オフを制御するための主信号を生成する主信号生成回路と、
   前記シャント駆動電流の立ち上がりにおいて、前記主信号が立ち上がり始める時間よりも遅れて立ち上がりを開始し、前記主信号の振幅よりも小さい振幅を有する補助信号を生成する補助信号生成回路と、
   を備え、
   前記主信号と前記補助信号とを合成することによって前記シャント駆動電流を出力する、駆動回路。
2. 前記補助信号の立ち上がり時間は、前記主信号の立ち上がり時間よりも大きい、請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記主信号生成回路は、前記入力信号が入力される制御端子及び前記主信号を出力する電流端子を有する第１トランジスタを備え、
   前記補助信号生成回路は、
   前記入力信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタを通過した前記入力信号が入力される制御端子及び前記補助信号を出力する電流端子を有する第２トランジスタと、
   を備える、請求項２に記載の駆動回路。
4. 前記補助信号生成回路は、前記第２トランジスタの前記制御端子のバイアス電圧を設定するバイアス回路をさらに備える、請求項３に記載の駆動回路。
5. 前記バイアス回路は、電流源である、請求項４に記載の駆動回路。
6. 前記発光素子は、所定のバイアス電流から前記シャント駆動電流が差し引かれた残りの駆動電流によって駆動される、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の駆動回路。